Измерение частичных разрядов как источник данных для управления кабельной сетью

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË

докладе рассматриваются новые возможно-
сти управления ключевым элементом энер-
госистемы — кабельной сетью. Они созда-
ются благодаря оценке технического состо-

яния кабелей путём диагностики частичных разрядов
при затухании напряжения переменного тока.

ВСТУПЛЕНИЕ

Для управления активами требуется сбор самой

подробной информации о конкретных объектах. По-
сле сбора, анализа и распределения эта информа-
ция становится чрезвычайно важной составляющей
всего процесса управления активами. Это касается
и одного из ключевых элементов — кабельной сети.
Как производители кабелей, так и пользователи за-
интересованы в высокой надёжности электрической
сети. Они несут ответственность за производство и
продажу кабеля высокого гарантированного каче-
ства. Однако для оценки реального качества кабеля
и арматуры может оказаться очень полезным анализ
статистических данных. Для этого необходимо про-
вести длительное комплексное исследование, что-
бы систематизировать данные и получить достовер-
ные заключения. Исследование должно быть прове-
дено для кабельных линий всех классов напряжения
[1, 2]. В свою очередь пользователи кабеля несут от-
ветственность за правильность прокладки кабель-
ной линии, поддержание её КПД, а также проведе-
ние необходимых диагностических проверок, кото-
рые позволяют оценивать повреждения кабеля при

перевозке, диагностировать любые механические
повреждения и ошибки сборки при прокладке новой
линии, а также контролировать техническое состоя-
ние кабельной линии после устранения эксплуатаци-
онных повреждений.

Другое исследование нацелено на поддержание

высокой технической надёжности электрической
сети посредством профилактического устранения
потенциальных дефектов [3].

Современные IT-системы и системы измерения

обеспечивают сбор данных с целью более совер-
шенной оценки технического состояния линии. Несо-
мненно то, что среди новых способов получения дан-
ных будет диагностика на основе измерения частич-
ного разряда (ЧР). Этот метод позволяет получить
набор уникальных данных, который описывает тех-
ническое состояние изоляции конкретных элементов
кабельной линии, а также даёт возможность заме-
нить существующие методы управления кабельной
сетью на новый, более эффективный с технической
и экономической точек зрения [4].

ИЗМЕРЕНИЕ ЧР В КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ КАК НОВЫЙ

ИСТОЧНИК ДАННЫХ

За последние десятилетия развитие IT-систем и

новых технологий позволило построить мобильные
системы, обеспечивающие выполнение натурных
испытаний на ЧР в кабельной сети среднего напря-
жения.

Измерение частичных
разрядов как источник
данных для управления
кабельной сетью

Доклад с 20-й Международной конференции и выставки по распределению
электроэнергии — CIRED 2009

Aleksandra RAKOVSKA,

Krzysztof SIODLA, Технологический университет в г. Познань, Польша,

Slawomir NOSKE, распределительная энергокомпания

ENERGA-OPERATOR SA, отделение Elblag, Польша

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË

Распределительная энергокомпания ENERGA-

OPERATOR SA, отделение Elblag, измеряет ЧР в ка-
бельной сети при помощи измерительной системы
OWTS-25 производства SEBA KMT. Измерение вы-
полняется на новых, лишь недавно введённых в экс-
плуатацию кабельных линиях, на давно эксплуати-
рующихся линиях, а также на линиях, введённых в
эксплуатацию после ремонта. С профилактической
целью проверяются также исправные линии, находя-
щиеся в эксплуатации.

На рис. 1 показана упрощённая схема системы

измерения OWTS-25 [5]. Затухающее напряжение
переменного тока используется в качестве испыта-
тельного. Оно возникает в результате зарядки ис-
пытуемого кабеля постоянным напряжением с по-
следующей разрядкой через индукционную катуш-
ку с постоянной индуктивностью. Частота импульс-
ных перенапряжений зависит от длины кабеля (ём-
кости) и на практике оказывается в диапазоне от
100 до 800 Гц. Система реагирует на перенапряже-
ние, созданное ЧР (q

и q

на рис. 1). Измеренная

выдержка времени между двумя перенапряжени-
ями и известная длина кабеля позволяют опреде-
лить место возникновения разряда [5,6]. Здесь из-
мерение добавляет к известным характеристикам
кабельной сети среднего напряжения новый пара-
метр — распределение ЧР по длине проверяемой
кабельной сети.

Ниже перечислены самые важные параметры,

получаемые при анализе результатов измерения:
•

напряжение возникновения ЧР.

Эта величина

приложенного (испытательного) напряжения, на
котором в проверяемой кабельной сети наблюда-
ется первый ЧР. Она определяется в процессе из-
мерения путём постепенного увеличения испыта-
тельного напряжения. OWTS позволяет увеличи-
вать напряжение с шагом 0,1 U

;

•

среднее и максимальное значения уровня ЧР
на напряжении U

inc

Произвольный заряд им-

пульса ЧР равен заряду, введённому в очень ко-
роткий промежуток времени между накладными
скобами проверяемого объекта, при этом показа-
ние измерительного прибора равно проверочно-
му импульсу ЧР. Произвольный заряд измеряет-
ся в пикокулонах (pC) [7];

•

среднее и максимальное значения уровня ЧР
при U

Частота возникновения ЧР на испыта-

тельном напряжении, значение которого задано
оператором на время пошагового увеличения на-
пряжения до U

. Этот параметр указывает макси-

мальное число разрядов, возникших на опреде-
лённом уровне испытательного напряжения. Он
определяется как для конкретных элементов ка-
бельной сети, так и для всего кабеля;

•

среднее и максимальное значения уровня ЧР
между U

и 2U

;

•

частота возникновения ЧР на испытательном
напряжении в диапазоне между U

и 2U

;

• схемы распределения разряда по длине кабе-

ля

. Система создаёт качественные и количествен-

ные схемы распределения разряда по длине кабе-
ля. Такие схемы используются впоследствии при
обсуждении других примеров измерений;

•

анормальные процессы на отрезках кабеля на

определённом уровне ЧР и число ЧР на испы-
тательном напряжении до U

и в диапазоне с

до 2U

Увеличение ЧР в конкретном фрагмен-

те отрезка кабеля, а также значительное откло-
нение от уровня разрядов, наблюдаемых в дру-
гой части участка кабельной сети, расценивает-
ся как анормальный процесс. Этот параметр не
задаётся автоматически в процессе анализа ре-
зультатов измерений. Это делается оператором,
выполняющим такой анализ, на основе получен-
ных схем распределения заряда по длине кабеля.

ПРИМЕРЫ ИЗМЕРЕНИЙ КАБЕЛЯ

Для иллюстрации возможностей, создаваемых

диагностикой, ниже приведены два примера. Пер-
вый пример демонстрирует возможность управле-
ния качеством монтажных работ, второй — приме-
нение результатов анализа ЧР (поддержка принятия
оперативных решений).

Пример 1
Линия XRUHAKXS, кабель сечением 120 мм

длиной 515 м, состоящий из двух отрезков
(360 м + 155 м).

Перед вводом кабеля в эксплуата-

цию было проведено испытание напряжением и из-
мерена герметичность защитной оболочки. Резуль-
таты были положительные. Учитывая тот факт, что
процесс прокладки кабеля полностью контролиро-
вался эксплуатационным персоналом распредели-
тельной компании и монтаж фитинга выполнялся

Рис. 1. Схема системы измерения ЧР

типа OWTS-25

Badany kabel

Indukcyjnosc 0,7 H

1 nF

10 mF

15 k

0...36 kV

150 M

1 k

Lacznik

Fillr

Przelacznik IGBT

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

высококвалифицированными опытными рабочими,
можно было предположить, что линия оказалась со-
вершенно исправна.

Однако при измерении ЧР был обнаружен де-

фект — высокий уровень разрядов на стыке в точке
360 м кабеля в фазе L3.

ЧР возникали на стыке двух отрезков кабеля.

Это свидетельствовало о наличии дефекта соеди-
нительных кабельных муфт в фазе L3. ЧР, возни-
кавшие так же часто, как и на напряжении U

, озна-

чают скорый отказ в рабочем режиме сети. На осно-
вании пояснений, данных установщиком кабельных
муфт, была определена наиболее вероятная причи-
на повреждения. Выяснилось, что во время установ-
ки соединительной гильзы не была смонтирована
защитная изоляционная прокладка. Кабельная ли-
ния была построена в 2005 году, и с тех пор плано-
вые проверки проводились каждые 3 года. В тече-
ние этого периода не было зафиксировано ни изме-
нения (увеличения) числа разрядов, ни поврежде-
ний кабеля. Можно предположить, что процесс ста-
рения изоляции развивается очень медленно. Что-
бы подтвердить правильность изысканий, в высо-
ковольтной лаборатории Технологического универ-
ситета г. Познань было проведено дополнительное
исследование (отрезок, содержащий неисправный
стык, был удалён). Оно было выполнено на обору-
довании производства компании James G.Biddle Co
(рис. 2). Исследование подтвердило прежние пред-
положения, полученные с помощью оборудования
OWTS.

В лабораторных условиях удалось зарегистриро-

вать разряды мощностью в несколько десятков рС
(при натурных испытаниях можно зарегистрировать
разряды до нескольких сотен рС). На таких величи-
нах первичное напряжение разряда было значитель-
но ниже U

(4 кВ).

Пример 2
Кабельная линия, состоящая из двух отрез-

ков кабеля разного типа.

Один кабель — с бумаж-

ной изоляцией, обозначенный HAKnFtA, сечением
70 мм

и длиной 340 м. Другой кабель — XRUHAKXS,

с изоляцией из сшитого полиэтилена, сечением 120
мм

, длиной 75 м. На напряжении U

в кабеле име-

ются два отрезка с повышенным уровнем разря-
да (200—220 м и 260—290 м). Линия повредилась
в районе 270 м. На основе собранной информации
было принято решение заменить участок кабеля с
повышенным уровнем ЧР с 260 по 290 м (предупре-
дительные меры не ограничились простым фикси-
рованием точки, подлежащей ремонту). Разряда на
заменённом участке кабеля нет, т.е. потенциальная
причина обрыва кабеля была устранена.

СОВЕРШЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАБЕЛЬНОЙ

СЕТЬЮ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

В настоящее время распределительные энерго-

компании не ограничиваются только эксплуатацией
кабельной сети, они также разрабатывают полити-
ку управления активами. Управление активами —
это концепция, позволяющая принимать самые пра-
вильные решения для оптимального использования
имеющегося у компании оборудования, извлечения
максимальной прибыли в течение всего жизненного
цикла с соблюдением требований по безопасности и
готовности [8].

Для разработки эффективной системы необхо-

димо огромное количество информации о сетях,
а также об их правильном управлении. Диагности-
ка на основе измерения ЧР может стать важным ис-
точником информации о кабельных линиях средне-
го напряжения. Приведённые выше примеры пока-
зывают новые многообещающие возможности. Ин-
формация, собранная при измерении ЧР, должна ис-
пользоваться в управлении активами наряду с дру-
гой имеющейся информацией. Собранные, сохра-
нённые, разработанные и эффективно используе-
мые данные могут дать компании конкурентные пре-
имущества [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изменения в подходе к управлению кабельной

сетью среднего напряжения требуют применения до-
полнительных инструментов для диагностики техни-
ческого состояния сети.

Данные, собранные при анализе результатов из-

мерения ЧР, очень важны для управления этим ак-
тивом. Сбор и совместное использование таких дан-
ных позволяет снизить стоимость за счёт:
• сокращения эксплуатационных расходов вслед-

ствие уменьшения числа повреждений. Монито-
ринг процесса старения отдельных элементов ка-
беля позволяет принимать решения по профи-

Рис. 2. ЧР при проверке неисправного

стыка с помощью оборудования компании

James G.Biddle Co

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 5, 2011, www.kabel-news.ru

лактическому обслуживанию (замене участков с
повреждённой изоляцией до возникновения ава-
рии);

• повышения качества производства новых ка-

бельных линий. Метод измерения позволяет вы-
явить ошибки при прокладке линий и производ-
ственные дефекты, которые прежде не выявля-
лись, и, тем самым, устранить их;

• ограничения инвестирования через выставление

приоритетов и определение оптимального объё-
ма работ. Отдельные инвестиции и ремонты мож-
но отложить, если знать состояние изоляции каж-
дого элемента сети (мониторинг жизненного цик-
ла кабельной линии).
Благодаря диагностике кабеля на основе измере-

ния ЧР в управлении кабельной сетью среднего на-
пряжения должны быть реализованы новые возмож-
ности [9].

Наиболее важными элементами в новом управле-

нии активами кабельной сети являются следующие:
• диагностика на основе измерения ЧР при типо-

вых испытаниях кабельной линии;

• обновление IT-системы для регистрации и ана-

лиза данных по кабельным участкам и арматуре,
полученным после анализа результатов измере-
ний ЧР;

• разработка системы оценки состояния кабелей

по диагностике ЧР, а также другой технической
информации о сети среднего напряжения, со-
бранной в компьютерных системах;

• организационные изменения в компании с целью

управления сетью среднего напряжения на осно-
ве собранной информации;

• реализация системы распределения данных по

кабельной сети среднего напряжения и монито-
ринг оптимального использования данных.
Чтобы реализовать возможности диагности-

ки, необходимо сформулировать правила оценки и
определить стандарты для конкретных элементов
и типов кабельных линий. Отделение Elblag компа-

нии ENERGA-OPERATOR SA совместно с Технологи-
ческим университетом г. Познани в настоящее вре-
мя проводят исследование и анализ результатов из-
мерений с целью разработки таких правил оценки.
Опыт, полученный при дальнейшем изучении вопро-
са, позволит сформулировать эти правила [9].

Работа финансируется Министерством нау-

ки и высшего образования Польши как научно-
исследовательский проект № 0583/В/Т02/2007/33.

ЛИТЕРАТУРА

1. R.A. Jongen, J. Smith, A. Janssen, E. Gulski, 2007,

“Evaluation of Replacement Strategy of MV Cable
Joint Based on Statistical Failure Analysis” («Опре-
деление стратегии замены кабельной муфты
среднего напряжения на основе статистическо-
го анализа отказов»), JICABLE, Versailles, paper
B1.2, 318–321.

2. E. Gulski, J. Smith, F. Wester, 2005, “PD Knowledge

Rules for Insulation Condition Assessment of
Distribution Power Cables” («Данные о частичных
разрядах для оценки состояния изоляции распре-
делительных кабелей»), IEEE TDEI, vol.15, 223–
239.

3. A. Rakowska, K. Hajdrowski, 2003, “The Management

of Power Cable Network Operation (Zarzadzanie
eksploatacja kablowych linii elektroenergetycznych)”,
Przeglad Elektrotechniczny, nr.1, 182–185.

4. F. Petzold, M. Beisert, E. Gulski, 2007, “Experience

with Offline PD-diagnosis on MV Cables – Knowledge
Rules for Asset Decisions” («Опыт диагностики ча-
стичных разрядов на кабелях среднего напря-
жения – Данные для принятия решений по акти-
вам»), JICABLE, Versailles, paper C7.2.5, 818–821.

5. F. Wester, 2004, Condition Assessment of Power

Cables using Partial Discharge Diagnosis at Damped
AC Voltages (Оценка состояния силовых кабе-
лей с помощью диагностики частичных разря-
дов на затухающем напряжении переменного
тока), Optima Grafische Communicatie, Rotterdam,
Holland, 66–70.

E. Gulski, 2003, Diagnozowanie wyladowan
niezupelnych w urzadzeniach wysokiego napiecia
w Eksploatacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warsaw, Poland, 103–112.

7. PN-EN 60270, 2003, “Wysokonapieciowa technika

probiercza. Pomiar wyladowan niezupelnych”, PKN

8. E. Gulski, J. Smith, J. Maksymiuk, 2004, Zarzadzanie

zasobami sieci elektroenergetycznych, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warsaw,
Poland, 16–18.

9. S.Noske, 2007, “Udoskonalanie procesu zarzadzania

sieciami kablowymi SN poprzez wykorzystanie
diagnostyki opartej o pomiar wyladowan
niezupelnych”, VI Konferencja Elektroenergetyczne
Linie Kablowe Stan Obecny, Nowe Techniki.

Актуально

ÄÈÀÃÍÎÑÒÈÊÀ ÊË

Рис. 3. Использование всех источников

данных в управлении кабельной сетью

среднего напряжения

MV cable network mamagement

Управление кабельной сетью среднего направления

PD Diagnostics

Диагностика ЧП

Fallure Analisis

Анализ повреждений

Costs (ERP system)